2.3.2. Особенности многоступенчатого сжатия в поршневых компрессорах

В многоступенчатых компрессорах сжатие происходит последовательно в нескольких цилиндрах с промежуточным охлаждением газа после каждого цилиндра (рис 2.8).

Рис.2.8. - Схема двухступенчатого компрессора:1 – цилиндр первой ступени; 2 – промежуточный охладитель;3 – цилиндр второй ступени.

Диаграмма работы идеального трехступенчатого компрессора показана на рис. 2.9. Линия а-1 показывает процесс всасывания, линия 1-2 – процесс сжатия газа до давления Р₂ в первом цилиндре, линия 2-в – процесс нагнетания в первый охладитель, в-3 – процесс всасывания охлажденного газа, 3-4 – сжатие во втором цилиндре до давления Р₃, 4-с – нагнетания газа во второй охладитель, с-5 – процесс всасывания из второго охладителя в третий цилиндр, 5-6 – процесс сжатия газа в третьем цилиндре до конечного давления Р₄, с-d – процесс нагнетания сжатого газа в резервуар. 

Рис.2.9. - Диаграмма работы трехступенчатого компрессора

В многоступенчатых компрессорах достигается некоторое приближение процесса сжатия к наиболее выгодному – изотермическому. Чем больше число степеней, тем ближе процесс приближается к изотермическому, но тем дороже компрессор. Степень повышения давления в каждой степени многоступенчатого компрессора должна быть одинаковой:

где: т – число ступеней компрессора; Р₁ – давление газа во всасывающем патрубке первого цилиндра; Р_к – давление в нагнетательном патрубке последнего цилиндра.

Для идеального многоступенчатого компрессора работа определяется по вышеприведенным формулам с последующим умножением на число ступеней. Охлаждаемые компрессоры обычно характеризуются изотермическими КПД:

неохлаждаемые – адиабатическим:

• 

• где: ак – работа, затрачиваемая в компрессоре, Дж/кг;

 и  - работа, затрачиваемая в идеальном компрессоре при изотермическом и адиабатическом сжатии.

При увеличении степени сжатия Р₂/Р₁ газа в соответствии с формулами и даже при минимальном объёме вредного пространства (Е=0,05) объёмный КПД компрессора уменьшается. При достижении некоторой степени сжатия Р₂/Р₁ объёмный КПД λ₀ может стать равным нулю. В этом случае сильно сжатый газ во вредном пространстве до давления Р₂ будет расширяться в цилиндре в течение всего (всасывающего) хода поршня и только к концу его давление снизится до Р₁.

Компрессор в этом случае не всасывает газ и работает вхолостую.

Предельную степень сжатия для изотермического процесса компрессора найдём по формуле 

0=1-0,05( -1)

Откуда

=21

Если принять λ₀=0,7 приемлемым для работы компрессора, то получим: 0,7=1-0,05( -1), откуда  =7. Следовательно, приемлемое значение объёмного КПД, обусловленное наличием вредного пространства, ограничено степенью сжатия  =7.

Сжатие газа связано с повышением температуры, которая при адибатическом процессе может быть найдена по формуле

Т₂=Т₁( )

Так, например, конечная температура, °С, полученная при степенях сжатия воздуха с начальной температурой 20°С и подсчитанная для адиабатического процесса, равна:

При  =2 - - - - 85 ;  =7 - - - - 239;

=4 - - - - 165;  =8 - - - - 263.

=6 - - - - 220;

Предельная температура вспышки обычно применяемых смазочных масел колеблется в пределах 220-240°С. Из приведенного следует, что для предотвращения вспышки масла в цилиндре компрессора или образования взрывоопасного нагара на его стенках, максимальной степенью сжатияможно считать  =6 или  =7.

При одноступенчатом сжатии с увеличением отношения давлений   адиабата всё больше расходится с изотермой. Вследствие этого избыток работы в адиабатическом смысле по сравнению с изотермическим значительно возрастает.

Для обеспечения нормальной работы многоступенчатого компрессора должны быть удовлетворены такие требования:

а) газ во всех холодильниках должен охлаждаться до начальной температуры всасывания в первой ступени;

б) конечные температуры сжатия во всех ступенях должны быть одинаковыми.

Обычно степень сжатия ε в каждом цилиндре многоступенчатого компрессора принимается одинаковой, так при этом расход мощности на каждую ступень будет одинаковым, а это удобно из конструктивных соображений и условий прочности.

При соблюдении этих условий выполняются равенства:

• =(  ) ;  =(  )   =(  )

• и   ,

откуда для трёхступенчатого компрессора находим

∙ ∙ = ∙ ∙ = =

Для компрессора с Z ступенями можно по аналогии записать

где  - давление на выходе компрессора.

Отсюда степень сжатия

число ступеней z выбирается таким, чтобы степень сжатия в каждой из них не превышала  =4. Это относится к крупным компрессорам. При такой степени сжатия температуры, возникающие в цилиндрах компрессора, не слишком высоки и надёжная смазка обеспечена. Только в малых компрессорах допускается большая степень сжатия.

Для компрессоров, применяемых в пищевой промышленности, обычно количество ступеней принимают равным; одну ступень при сжатии воздуха или газа до 0,5-0,7 МПа; две ступени- до 2,5 МПа и три ступени- до 12,5 МПа. Свыше 12,5 МПа принимают 4 ступени и более.

Так, например, при необходимости сжать воздух до 6,4 МПа принимают три ступени компрессора. В таком случае степень сжатия будет   и, следовательно, в первой ступени воздух будет сжат до 0,4, во второй до 1,6, а в третьей – до 6,4 МПа.

Так в каждой последующей ступени объём газа уменьшается, то объём цилиндров компрессора для каждой последующей ступени должен быть меньше во столько раз, во сколько раз сжимается газ, а именно:

.

Из диаграммы процесса многоступенчатого сжатия видно, что если бы сжатие газа было произведено в один приём по линии сжатия 1-е, то площадь диаграммы (а-1-е-d-a).